现代设计方法综述及在农业机械领域的应用

现代设计方法综述及在农业机械领域的应用

随着科技的发展，许多新的成果被引人优化设计，特别是信息化技术的发展推动了设计方法的革命，开发了系列软件，其中包括：CAD、AN SYS、AD AM S、VB、VC等，这些软件各有特色，在应用上相互交叉。其中CAD软件是应用最广，对产业发展影响最大的软件，完全代替了传统的设计方法，使设计更加快捷方便，且具有记忆功能，使传输、保存、调用更加方便。ADAMS软件不但具备虚拟制造、试验和测试功能，而且通过二次开发还可以优化参数，VB和VC软件具有较强的可视性，适合机构的运动学和动力学目标的优化。优化是现代设计的核心技术。现代设计思想和方法大大推动了制造业的发展；反过来，每个设计者必须掌握现代设计方法，并熟练使用各种软件工具。

在国际上，航空、航天、汽车、军工制造业等率先使用现代设计的新技术，农机制造业相对滞后，一般来说在上个世纪相差3—5年，到本世纪时差缩短到l 一3年。在上世纪80年代后期，中国开始引入CAD技术。到本世纪已经推广到高校、研究院所和企业，随着应用和推广，CAD技术不断完善和拓宽，功能更加强大，现在任何机械设计单位如果在设计中不使用CAD软件几乎不可思议。其他软件也有了不同程度的应用，中国技术力量的构架决定现代设计方法和软件工具首先被研究型高等院校应用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐渐转入生产企业。但是现代设计的核心——系统的优化设计技术在国内应用较少，仅仅局限在个别的学科领域，这是因为系统优化首先要建立理论模型、采用适宜的优化方法、设计相关的优化软件的基础上，是一个难度很大的系统工程。例如，应用较为普遍的航空、导弹理论研究面对的介质是空气，其物理性质相对变化较小；而农业机械所处理各种物料，其物理性质差异很大，理论研究和优化方法有其特殊性，不能照搬其他理论和方法。现代设计方法的应用如果包括了系统优化则必须建立设计平台。本文在介绍现代设计方法的同时也将介绍课题组在建设平台方面所做的探索性工作。

1 平台的内容

1．1创新方法的建立

农业机械的创新有特殊性也有其普遍性。农业机械的创新首先是机构的创新，新的机构能够完成传统机构所不能完成的技术要求。机构创新由两部分组成：发现机构创新元素和找到实现创新元素的实施方案。两者都非常重要，但是对不同的项目，相对难度有所不同：有的发现创新元素难度大，有的寻求实施方案难度更大。

1．2理论研究成果

理论研究是设计优化、虚拟试验和测试软件的基础。理论创新的主要目的是参数优化，优化是设计的核心。理论研究从理论分析开始，通过理论演绎或实验回归建立数学模型和目标函数，设计软件。理论研究的成果包括专著、文章以及历届研究生论文，是现代设计平台的重要内容。

1．3优化设计软件

市场上出售的各种软件是设计者的工具，其功能越来越强，应用面越来越广，农机研究者必须掌握。掌握软件的使用方法主要不是依靠课堂教学，而是依靠工程实践和实践过程中的指导。一般来说，老师应该有研究课题，学生( 本科和研

究生) 在完成研究的工作中，通过高年级学生指导低年级学生，将软件的使用方法传承下来。尽管市场软件具有强大的功能，可以完成虚拟制造、试验和测试工作，但是没有二次开发就不能进行设计的核心工作——参数优化。没有精准的参数优化，后面的虚拟制造、试验和测试工作就没有意义，这些工作的目的是验证参数优化的精准程度。农业机械的多参数、强耦合性、模糊性、非线性复杂多目标优化是一项难度很大的工作，传统的优化方法难以完成。笔者提出了“复优化”和“参数导引”优化方法，在以上方法指导下，设计了“傻瓜”化和全自动软件，成功的解决了以上复杂的优化问题，转让总金额达70万元。要求研究生对自己所研究的核心工作部件用以上优化方法建立系统的优化软件，软件同时具有虚拟制造、试验和测试的功能，也希望通过办培训班使师生掌握设计软件的方法。

1．4试验台架

完成了以上优化和虚拟试验工作，下一步是试验台架和核心工作部件的研制，在台架上做核心工作部件的性能和可靠性试验，在完成以上工作程序后，进行整机设计和田问试验。目前，课题组在已完成省级重点项目“农业机械产品数字化设计与制造平台的开发与应用”的基础上，将探索各种核心部件优化后的计算机自动生成设计图纸的工作。

1．5队伍建设

平台建设的关键是培养一支熟练掌握现代设计方法和工具的队伍。首先，队伍的核心成员具有深厚的理论基础，包括数学、工程力学、机械原理等。基础及专业基础知识，特别是具备利用所学的基础知识解决实际问题的能力，例如利用数学知识解决工程力学问题，利用数学、工程力学知识解决机械原理问题，以及利用以上基础知识解决农业机械理论问题。这方面能力依靠在科研过程中逐渐培养，国家自然科学基金完成过程是培养这方面能力的最好平台。

2建立平台的意义

2．1农业机械的研究难度

季节性强：农业机械成功需要田间试验验证，但是每年田间试验的时间短，一旦机器出现问题，就可能错过了试验季节，只好等待下一年的试验，所以一般农业机械的研究周期较长。

环境恶劣：表现在两个方面：农机作业环境变化大，作业条件差；农业机械处理的物料包括土壤、茎秆、果实、幼苗、种子等，物理性能差异很大。

造价低廉：农业产品价格低决定了机器造价须同样价格低廉。

适应宽泛：中国农业生产区域气候环境差异大，同样作物生产方式各不相同，好的农业机械应该具有宽泛的适应性。

竞争激烈：近年来外资企业纷纷在中国建厂，它们具有雄厚的技术和资金实力，国内产品的竞争力主要在于适应中国的农艺要求和高性价比，与国外产品竞争的关键是研发周期的长短，缩短研发周期的主要手段是掌握现代设计方法和建立研发平台。

2．2现代设计方法的优点

现代设计方法的核心是参数优化、虚拟制造、试验和测试，它的优点表现在以下三方面：

缩短周期：农业机械的研究和设计工作主要在室内通过计算机和台架试验完

成，解决了农机研究的季节性问题。从课题组的研究成果看，所转让的14台样机田间性能试验均一次性成功，这样就大大缩短了研发周期。

降低成本：研制样机资金投人最大，由于样机成功率高，大大降低了研究成本。

精准度高：采用了先进的优化方法，优化精度高，所设计研制的机器眭能更接近目标的理想值。

3现代设计方法介绍

代设计方法的核心是优化参数，本文作者提出了一种新的优化方法，命名为“参数导引”优化方法。该方法通过目标函数的计算，告之每次需要改变的参数，通过逐次逼近目标理想值，最后使所有目标函数计算值与目标函数理想值的差值小于预定的系列微小值。系列理想目标中每个理想目标是一个范围而不是唯一值。严格意义上，所获得的参数解非最优解，称之为“非劣解”，有无限多组参数满足目标要求，每次优化所获得的参数值相近但不相同，形成“非劣解”群。针对需要解决动力学目标优化的问题，作者提出了“复优化”方法：作者应用“参数导引”优化方法，针对运动学目标优化参数，将“非劣解”群的边界作为约束条件，以动力学工况作为优化目标，进行动力学优化，得到既满足运动学目标又达到动力学目标要求的参数值。

图1 理论设计工作流程

程序第一步是方案确定，包括调研、分析，最后确定方案。方案确定一定要慎之又慎。一般新涉足研究领域者．往往不重视方案的研究，想到一个方案，没有群策群力，拿起来就做，结果南辕北辙，花费了大量时间和资金，最后还要从头做起。紧接着下一个步骤是理论分析，通过理论演绎建立模型，或者通过试验研究，回归分析，建立模型。在以上工作的基础上建立目标函数，这是能精准优化参数的关键一步，也是应用“参数导引”优化方法的前提。在VB平台上设计软件，软件要具备优化参数、虚拟制造、试验和测试的功能。优化参数是整个程序中最为重要的一步，优化参数的效率和精准度是整个设计过程水平的体现。从图1看出，现代设计方法与传统方法比较，在整个过程中增加了大量的新的内容，传统设计程序所占的比例很小，保留了研制样机和田间试验两个传统的步骤，其中机械设计由CAD软件绘图改为自动生成图纸。虽然增加了许多新的工作程序，但是大大提高了设计的成功率和缩短了设计周期。

4 小结

现代设计软件包括两种：市场出售的各种软件和自编的优化、虚拟试验和测试软件。自编软件需要做大量的理论和试验研究工作，市场出售的各种软件功能越来

越强大，可以做虚拟制造、试验和测试工作。如果优化参数，则必须做二次开发。

笔者认为，在VB平台上作机械优化工作量相对小些。目前课题组在VB平台上设

计的软件具有二维模拟功能，下一步工作是将二维模拟发展为三维模拟，同时具

有原来的优化参数的功能。

【参考文献】

[1] 赵匀.农业机械分析与综合[M].北京.机械工业出版社.2008.

[2] Zhao Yun,Chen Jianneng,Yu Yaxin,et al,Quadratic optimization method and its application on optimizing mechanism parameter[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering.2006.

[3] ZhaoYun，YuGaohong，Chen Jianneng，eta1．Mechanismdynamics sequence solution method and application[J].ASME,Journal of Computational and Nonlinear Dynamics,2007.25

[4] 赵匀，赵雄，张玮炜，等．水稻插秧机现代设计理论和方法[J ]．农业机械

学报，2011，42.

[5] 赵匀．机构数值分析与综合[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[6] Zhao Yun. Computer-aided analysis and design of agriculture machinery[M].Beijing:Qinghua University Press.1998.

武汉轻工大学

《现代设计方法》课程结业论文题目：

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机械优化设计论文(基于MATLAB工具箱的机械优化设计)

基于MATLAB工具箱的机械优化设计 长江大学机械工程学院机械11005班刘刚 摘要：机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计效率和质量。本文系统介绍了机械优化设计的研究内容及常规数学模型建立的方法，同时本文通过应用实例列举出了MATLAB 在工程上的应用。 关键词：机械优化设计；应用实例；MATLAB工具箱；优化目标 优化设计是20世纪60年代随计算机技术发展起来的一门新学科, 是构成和推进现代设计方法产生与发展的重要内容。机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术, 为机械设计提供了一种可靠、高效的科学设计方法, 使设计者由被动地分析、校核进入主动设计, 能节约原材料, 降低成本, 缩短设计周期, 提高设计效率和水平, 提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视, 并开展了大量工作, 其基本理论和求解手段已逐渐成熟。 国内优化设计起步较晚, 但在众多学者和科研人员的不懈努力下, 机械优化设计发展迅猛, 在理论上和工程应用中都取得了很大进步和丰硕成果, 但与国外先进优化技术相比还存在一定差距, 在实际工程中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。计算机等辅助设备性能的提高、科技与市场的双重驱动, 使得优化技术在机械设计和制造中的应用得到了长足发展, 遗传算法、神经网络、粒子群法等智能优化方法也在优化设计中得到了成功应用。目前, 优化设计已成为航空航天、汽车制造等很多行业生产过程的一个必须且至关重要的环节。 一、机械优化设计研究内容概述 机械优化设计是一种现代、科学的设计方法, 集思考、绘图、计算、实验于一体, 其结果不仅“可行”, 而且“最优”。该“最优”是相对的, 随着科技的发展以及设计条件的改变, 最优标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化, 要求人们根据事物的客观规律, 在一定的物质基和技术条件下充分发挥人的主观能动性, 得出最优的设计方案。 优化设计的思想是最优设计, 利用数学手段建立满足设计要求优化模型; 方法是优化方法, 使方案参数沿着方案更好的方向自动调整, 以从众多可行设计方案中选出最优方案; 手段是计算机, 计算机运算速度极快, 能够从大量方案中选出“最优方案“。尽管建模时需作适当简化, 可能使结果不一定完全可行或实际最优, 但其基于客观规律和数据, 又不需要太多费用, 因此具有经验类比或试验手段无可比拟的优点, 如果再辅之以适当经验和试验, 就能得到一个较圆满的优化设计结果。 传统设计也追求最优结果, 通常在调查分析基础上, 根据设计要求和实践

现代设计方法试卷1及答案

现代设计方法试卷1及答案 一、单项选择题 1.属于无约束优化问题求解算法中的直接法是（ C ） A. 梯度法 B.牛顿法 C.POWELL法 D.变尺度法 2.按类型划分，惩罚函数法属于（ D ） A.一维优化方法 B.无约束优化方法 C.直接法 D.约束优化方法 3.对于只含有不等式约束的优化问题，满足每一个设计约束的设计点，称为 （D） A.边界点 B.非可行点 C.外点 D.内点 4.坐标轮换法以为搜索方向。（C） A.梯度方向 B.共轭方向 C.坐标轴方向 D.负梯度方向 5.一个多元函数F（X）在点X*附近偏导数连续，则该点为极小值点的充分条件是（ B ） A.▽F（X*）=0 B. ▽F（X*）=0,H（X*）正定 C. H（X*）=0 D. ▽F（X*）=0,H（X*）负定 6.在有限元分析中，将构件分割成单元的方法称之为( C ) A.有限化 B.单元化 C.网格化 D.分割化 7.平面问题的弹性矩阵与材料的（ D） A.弹性模量有关，泊松比无关 B.弹性模量无关，泊松比有关 C.弹性模量和泊松比都无关 D.弹性模量和泊松比都有关 8.当零件材料的强度均值小于应力均值时，零件的平均安全系数为n，等效概率为F，则（A ） A.n<1，F>50% B. n>1，F>50% C. n<1，F<50% D. n>1，F<50% 9.串联系统的失效模式大多服从（ D ）

A.正态分布 B.对数正态分布 C.指数分布 D.威布分布 10.抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小 时又有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度为（ C ） A. 0.006 B. 0.004 C. 0.01 D. 0.12 二、填空题 11.单元刚度矩阵具有对称性、 分块 性和奇异性。 12.机电产品零件失效曲线分为三个区域，分别为： 早期失效区域 、正常工 作区域和功能失效区域。 13.函数()223212221+-+=x x x x x F 在点（1，0）处的梯度为 [6,-2]T 。 14.组成并联系统的零件的可靠度与该并联系统的可靠度相比较， 并联系统 的可靠度高。 15.一批产品从投入运行到发生失效的平均时间称为 平均寿命 。 16.可靠度是对产品可靠性的 概率 度量。 17.设某系统由10个零件串连组成，每个零件的可靠度均为0.95，系统的可靠度为 0.599 。 18.根据处理约束条件的方式不同，求解约束优化问题的方法分为 直接法 和间接法。 19.根据是否满足约束条件可以将设计点分为：可行点和 不可行点 。 20.利用目标函数的一阶导数或二阶导数信息构成搜索方向的方法称为 导数法 。 三、名词解释 21、（定义）可靠度：指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，用R 表示。 22、（定义）失效率：又称故障率，产品工作t 时刻时尚未失效（或故障）的产品，在该时刻

文化结构的产品设计方法综述

文化结构的产品设计方法综述产品设计师通过以用户为主体的设计方法，归纳出产品设计的几大重要因素组成的体系（产品—人—环境）。其细分为：（1）用户相关的使用、心理等用户（人）核心体系；（2）产品本身所具备的功能品质等产品体系；（3）产品外环境所承载的品牌、潮流等因素的环境体系。层次化结构则将该体系由表至里进行了区分与归纳。 层次化结构的构成 产品设计中，以汽车造型设计为主要特征代表的形态设计派的设计宗旨是从外观造型的线条、曲面、空间体上打造设计哲学理念，或是简洁、或是优雅、或是灵动、或是强悍，这些风格一旦被塑造定型并确定了它的文化性质，即成为了某个品牌某个风格的一种文化语言，有时，这些风格与传统文化的某些特征具有相同之处或者如出一辄，此时，设计便可相通。有时，设计师试图通过在产品表面贴纹样而提高产品的文化底蕴，笔者认为这仅仅是产品设计的一个最简单的途径，也仅仅是文化传承的最浅层次，容易被认为是“俗套的设计”，因此其层次关系有待深入挖掘。层次化知识结构，将其解析为：基于层次构架与互通性的传统文化精神与产品设计的知识结构。层次上的构架包括：表层、中层、内层、核层。表层内容：传统文化表现为纹样符号，而产品设计的表现为图形美化装饰；中层内容：传统文化表现为风格样式，而产品设计表现为形态样式；内层内容：传统文化表现为行为习惯，产品设计表现为方式、功能；核层内容：传统文化表现为精神与文化内涵，产品设计表现为品牌形象、理念、品质内涵。朴素简洁

的无印良品CD播放器无印良品CD播放器产品设计，通过一根拉绳操作音乐播放与停止，裸露的旋转CD盘面给人简单而美妙的观感。此设计无疑是对产品与文化深层次的挖掘与表现的设计构思。如此设计需要大胆与锐利的目光，传统文化中没有CD播放器，而CD播放器的操作一直都被认定为有几个按钮的操作方式。笔者认为，这样的设计并非仅仅对风格的追求，并非因为风格的框架所决定的，而是对文化与产品层次挖掘的成果。无印良品的产品包装以简单朴素为特色风格，使用环保的无漂白纸张作为商品袋，给人以新鲜、纯粹的感觉[3]。从表1可知，该产品的设计是通过对产品进行深入挖掘，发现了文化的对等性，而将两者融合，最终在产品的外观中体现出融合的结果，这是文化在现代化产品设计上应用的典型例子。装饰华丽的诺基亚“回纹”手机曾盛极一时的诺基亚回纹系列手机，可谓文化（符号）与产品结合的经典，无论是纹样还是材质，无论是触感还是交互，这款手机的设计都给人强烈的文化刺激。虽然曾有人质疑其过于花哨的外表，但没有人怀疑它的商业成功。多少年后的今天，从另外一个新的视角去看，这款产品的设计，在设计手法上表达了“文化”的哪个方面、层面？用户体验设计的经典——iPhone手机目前依然风靡全球的苹果iPhone手机以独特的操作体验、简练的形式给人眼前一亮的感觉，使用过的人无不被这种技术和设计带来的操作体验而折服。iPhone手机的成功更多的是对产品的理解，同时在工业设计上对用户为中心的PHE设计体系的客观分析。 基于文化应用层次化结构的产品设计方法

机械优化设计方法论文

浅析机械优化设计方法基本理论 【摘要】在机械优化设计的实践中，机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的，都有各自的特点和各自的应用领城。在综合大量文献的基础上，总结机械优化设计的特点，着重分析常用的机械优化设计方法，包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主 要性能指标。 【关键词】机械；优化设计；方法特点；评价指标 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学，它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益，在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展，现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类优化设计的类别很多，从不同的角度出发，可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少，可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数，可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况，可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径，可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达，可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法，如数学规划法、最优控制法等。 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数，在优化过程中，这些参数就是自变量，一旦设计变量全部确定，设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数，设计变量数目越多，设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂，同时效益也越显著，因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。

现代设计方法试卷

浙江省2003年7月自学考试现代设计方法试题 课程代码：02200 一、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。每小题1分，共30分) 1.CAD 系统中，软件可大体分为三种，则BDMS 软件属于( )。 A.系统软件 B.支撑软件 C.应用软件 D.工程分析及应用软件 2.下面设备中属于CAD 系统输入设备的是( )。 A.滚筒式绘图仪 B.激光扫描显示器 C.数字化仪 D.等离子显示器 3.下列矩阵中，哪个矩阵能使变换后的图形和原图形关于直线y=x 对称( )。 A.??????????10 0001 010 B.????? ?? ???--100010001 C.??????????--10 001 010 D.???? ??????--10 1 010011 4.在AutoCAD14.0对微型计算机的软件环境的要求是( )操作系统。 A.UNIX B.Windows C.B 和D 皆可 D.DOS 5.图形输出设备(如显示器、绘图机)自身都有一个坐标系，它的度量单位是步长或 象素，此种坐标系称之为( )。 A.世界座标系 B.设备座标系 C.规格化坐标系 D.NDC 坐标系 6.编码裁减法(Cohen —Sutherland 法)中，某点在窗口左上方，则其代码应为( )。 A.1001 B.1010 C.0101 D.0110 7.生成三维几何模型，在CAD 中一般都使用( )形体进行拼合。 A.基本单元 B.表面几何 C.线框几何 D.基本图素 8.下列有关滚筒式绘图仪、平板式绘图仪、静电式绘图仪绘图精度的说法，正确的是( )。 A.滚筒式绘图仪的绘图精度最高 B.平板式绘图仪的绘图精度最高 C.静电式绘图仪的绘图精度最高 D.三者绘图精度差不多 9.图形变换矩阵??? ? ? ??? ??10 010 0b 1产生的变换是( )。 A.沿z 方向上错切 B.沿x 方向错切 C.沿y 方向上错切 D.沿x,y 两个方向上错切

国内外沥青路面设计方法综述

国内外沥青路面设计方法综述 周利,蔡迎春,杨泽涛 (郑州大学环境与水利学院,郑州450002) 摘要:当前世界各国众多的沥青路面设计方法,可概括地分为2类:一类是以经验或试验为依据的经验法;一类是以力学分析为基础,考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的力学-经验法。简要介绍目前国内外典型设计方法(CBR法、A ASHT O法、S HEL L法、A I法及国内方法),并比较其优缺点,针对现行设计方法,特别是我国设计方法,提出改进意见。 关键词:沥青路面;设计方法;综述 文章编号:1009-6477(2007)04-0036-04中图分类号:U416.217文献标识码:B S ummary of Dome stic&Overseas Asphalt Paveme nt Design M ethod Zhou Li,Cai Y ingc hun,Y ang Zetao 沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上,铺筑一定厚度的沥青混合料作为面层的路面结构。以沥青路面为主的柔性路面设计理论与方法研究已有近百年的历史,其发展历程经历了古典法、经验法和力学-经验法3个阶段。当前世界各国众多的沥青路面设计方法大体为后面2种,即以工程使用经验或试验为依据的经验法和以力学分析为基础,考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的力学-经验法。为了更好地借鉴前人的研究成果,有助于指导今后设计方法的研究,本文简要介绍目前国内外几种典型的设计方法:(1)经验法的代表方法:CBR法和A AS HTO法;(2)力学-经验法的典型代表:AI法和SHEL L法;(3)我国2004规范(报批稿)采用的设计方法,并作简单评价。 1国外沥青路面设计方法 国外的沥青路面设计方法,可分为经验法和力学-经验法2大类[1]。 1.1经验法 经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测,建立路面结构、荷载和路面性能三者间的经验关系。最为著名的经验设计方法有美国加州承载比(CBR)法和美国各州公路和运输工作者协会(AA SHT O)柔性路面设计法。 1.1.1CBR法[2-3] CBR法是以CBR值作为路基土和路面材料(主要是粒料)的性质指标,通过对已损坏或使用良好的路面的调查和CBR测定,建立起路基土CBR-轮载-路面结构层厚度3者之间的经验关系。利用此关系曲线,可以按设计轮载和路基土CBR值确定所需的路面层总厚度。路面各结构层的厚度,按各层材料的CBR值进行当量厚度换算。不同轮载的作用按等弯沉的原则换算为设计轮载的当量作用。此方法设计过程简单、概念明确,适用于重载、低等级的路面设计,所提出的C BR指标已作为路面材料的一种参数指标得到了广泛应用。如日本的路面设计经验法(T A法)就是以CB R法为基础制定的。 1.1.2AA SHT O法[2,4-5] A AS HTO法是在1958)1962年间A AS HO试验路的基础上建立的。整理试验路的试验观测数据,得到了路面结构-轴载-使用性能三者间的经验关系式。路面结构中的路基土采用回弹模量表征其性质,路面结构层按各层材料性质的不同转换为用一个结构数(S N)表征。AAS HT O方法提出了现时服务能力指数(PSI)的概念,以反映路面的服务质量。PS I是一个由评分小组进行主观评定后得到的指标,它与路面实际状况(坡度变化、裂缝面积、车辙深度、修补面积)之间建立经验关系式,提出了轴载换算的概念和公式,考虑了结构的可靠度和排水条件的影响,这些思想对后来世界各国的设计思想产生了很大的影响。 1.2力学-经验法 力学-经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应(应力、应变、位移),利用在力学 公路交通技术2007年8月第4期Technology of Highw ay and Transport Aug.2007No.4 收稿日期:2007-01-10

现代设计方法3000字总结

现代设计方法 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。 现代设计方法有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计。 一、并行设计 并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。 二、虚拟设计 在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造(也叫拟实制造)指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。 三、绿色设计 绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。 产品设计的基本流程为：市场调研--草图构思--方案设计。 四、可靠性设计 机电产品的可靠性设计可定义为:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。 五、智能优化设计 随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。 六、计算机辅助设计 机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。 七、动态设计 动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工

现代设计方法第3阶段测试题

考试科目:《现代设计方法》（总分100分） 时间：90分钟 __________学习中心（教学点）批次：层次： 专业：学号：身份证号： 姓名：得分： 一、单项选择题（每小题1.5分，共27分） 1.对于平面桁架中的杆单元，每个节点在整体坐标系中的位移分量个数为（）A．1 B．2 C．3 D．4 2.机电产品的平均失效率 (t)，它表征了该产品工作到t时刻后（） A．单位时刻内发生失效的概率 B．单位时刻内发生失效的产品数 C．的累积失效数与受试产品总数之比 D．的累积失效数与仍正常工作的产品数之比 3.应用四节点等参数单元时，由整体坐标系到自然坐标系单元的映射关系是（）A．任意四边形→任意四边形 B．正方形→任意四边形 C．任意四边形→正方形 D．正方形→正方形 4.图示弹簧系统的总体刚度矩阵为（）

5.现抽出60个产品进行可靠性试验，记录的数据如下表： 时间t (小时) 50 100 150 200 250 失效数?N f（个） 3 2 4 3 1 累积失效数N f（个） 3 5 9 12 13 仍正常工作数N S（个）57 55 51 48 47 则该产品的存活频率(200)为（） A．0.00125 B．0.8 C．0.001 D．0.2 6.轴对称问题中，值等于零的应变是（） A．γrθB．γrz C．εθD．εr 7.在任何一个单元内（） A．只有节点符合位移模式 B．只有边界点符合位移模式 C．只有边界点和节点符合位移模式 D．单元内任意点均符合位移模式 8.表示机电设备的一般失效曲线(浴盆曲线)中，偶然失效期的失效密度f(t)服从（）A．威布尔分布B．指数分布C．正态分布D．泊松分布 9.若强度r的概率密度函数为fr(r)=λr e r r -λ,则知其分布为（）

《现代设计方法与理论》课程试题

现代机械设计理论及方法大作业及考试题 一、提交一份现代机械设计理论与方法理论及实际应用综述报告要求：阐述五种以上现代设计方法，参考文献不低于10篇，其中必须包含有英文参考文献。 二、完成现代机械设计理论与方法开卷试题，试卷题目如下： 1、采用系统化设计流程说明某公司今年需要投资研发一款新型汽车的整个设计流程。（20） （1）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的规划设计过程？ 答：首先需要通过市场调研，了解现有汽车的性能特点及市场上不同消费阶层客户对汽车功能、外观、能耗、及性价比的期望，然后与设计、营销人员共同分析讨论研究，明确所设计汽车的类别、目的和任务，最后结合实际现有生产能力的情况策划出生产汽车的品种样式，为后续工作做准备。 （2）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的方案设计过程？ 答：根据前一阶段制定的设计汽车类别和任务要求，利用系统化设计方法确定所设计汽车的总功能，然后将该总功能分解成为单个的分功能（功能元），然后利用物理数学知识及创造技法对该功能元求解，以得到最佳原理解，再通过最佳原理解的组合得到不同的设计方案。最后再根据对汽车的设计任务要求选择最佳设计方案。 （3）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的技术设计过程？ 答：根据方案设计阶段确定的汽车设计方案，召集设计人员初步设计出汽车的设计总图，然后对汽车进行可靠性设计、造型设计和工艺设计，以定性设计出汽车的结构，再选取汽车不同部件的材料、尺寸，通过对汽车进行价值设计、有限元设计、优化设计和动态设计，以定量设计汽车的具体结构尺寸。最后，请专家对这一阶段设计的汽车进行技术评价分析。

（4）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的施工设计过程？ 答：首先根据对汽车的前期设计和评价分析，对汽车进行总体设计，即通过专家系统、CAD/CAM 等技术设计出汽车的装配图，然后对汽车的零部件进行具体设计，即通过机械制造技术、装配、检验等方法确定汽车具体零部件的图纸，最后编写汽车设计的技术文件，图纸校正和汇总，以得到汽车最终设计说明书。 2、用系统化设计方法分析并提出垃圾清洁系统（车）的总体方案；用一种评价方法进行评价，得出合理方案，并建立该系统优化数学模型。 (20分) 答：首先，通过问卷调查等方式明确垃圾清洁车的总功能——压缩运输物料；然后，对其进行功能分解：压缩运输物料分为压缩物料和运输物料，而压缩物料又分为传动和压缩，运输物料分为传动和移位；再对分功能求解，通过垃圾清洁车的形态学得到具体的分功能解；最后方案组合，从得到的垃圾清洁车众方案中通过评价分析选取出效率高、承载能力强、生产及使用环境友好的垃圾清洁车，即最佳方案。 现代社会垃圾清洁车的生产要求成本低，使用要求寿命长且维修方便。因此采用技术——经济评价法来对垃圾清洁车的设计方案进行评价。 技术——经济评价法即对设计方案就经济和技术方面进行评价，求出加权相对价值，再进行综合比较。 （1）获得垃圾清洁车的技术评价Wt 垃圾清洁车的技术评价目标是求方案的技术价Wt ，就是求出垃圾清洁车的各项技术性能评价指标的评分值和加权系数乘积之和与最高分值的比值： max 1p q p W n i i i t ∑-= 其中，i p 是各项技术评价指标的评分值；i q 是各项评价技术指标的加权系数，11=∑-n i i q ；max p 是最高分。 （2）获得垃圾清洁车的经济评价Wt 垃圾清洁车的经济评价目标是求方案的经济价Ww ，就是求出垃圾清洁车的理想生产成本与实际生产成本的比值：

机械优化设计方法基本理论

机械优化设计方法基本理论 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学，它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益，在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展，现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类优化设计的类别很多，从不同的角度出发，可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少，可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数，可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况，可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径，可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达，可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法，如数学规划法、最优控制法等 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数，在优化过程中，这些参数就是自变量，一旦设计变量全部确定，设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数，设计变量数目越多，设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂，同时效益也越显著，因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。 1.2 约束条件 约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，按表达方式可分为等式约束和不等式约束。按性质分为性能约束和边界约束，按作用可分为起作用约束和不起作用约束。针对优化设计设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法分类如下。约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。

现代设计方法试卷及答案

课程名称： 现代设计方法 一、 单选题 ( 每题1分，共10题，共10分，下列各小题备选答案中，只有一个符合题意的答案。多选、错选、不选均不得分 ) 1. 参数化绘图在定义图形时关键是利用了图形的（ ） A ．相似性 B ．多样性 C ．个别性 D ．特殊性 2. 下列设备不属于CAD 作业输入设备的，有（ ） A ．绘图仪 B ．键盘 C ．数字化仪 D ．光笔 3. 二维图形比例变换矩阵中?? ????=d a T 00，可有（ ） A.a=0,d=1 B. a=1,d=0 C. a=d=1 D. a=d=0 4. 内点罚函数法的特点是（ ） A.能处理等式约束问题 B.初始点必须在可行域内 C. 初始点可以在可行域外 D.后面产生的迭代点序列可以在可行域外 5. 对于极小化F(x)，而受限于约束g μ(x)≤0(μ= 0,1,2,…,m)的优化问题，其内点罚函数表达式为（ ） A.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()(/1)(),(μμ B.∑=+=Φm k k X g r X F r X 1)()()(/1)(),(μμ C.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()](,0m ax[)(),(μμ D.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()](,0m in[)(),(μμ 6. 设F (X )为区间(0,3)上的单峰函数，且F (1)=2、F (2)=1.5，则可将搜索区间(0,3)缩小为（ ） A ．(0,2) B ．(1,2) C ．(2,3) D ．(1,3) 7. 标准正态分布是定义为（ ） A.μ＝1，σ＝0.5的正态分布 B.μ＝1，σ＝1的正态分布 C.μ＝0，σ＝1的正态分布 D.μ＝0.5，σ＝1的正态分布 8. 抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小时有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度是（ ） A.0.006 B.0.004 C.0.01 D.0.12 9. 当转换开关的可靠度为1时，非工作冗余系统的可靠度为R1, 工作冗余系统的可靠度为R2，则R1与R2之间的关系为（ ） A. R1＜R2 B. R1＞R 2 C. R1= R2 D. R1≤R2 10. 设试验数为N 0，累积失效数为N f (t)，仍正常工作数N s (t)，则存活频率是指（ ） A ．0) (N t N f B ．0)(N t N s C ．)()(t N t N f s D ．) ()(t N t N s f

现代设计方法试题及答案

现代设计方法试题 一、单项选择题(本大题共20小题。每小题1分。共20分) 1．CAD 一词已经成为世界通用的名词，它是指（ A ） A ．计算机辅助工程 B ．计算机辅助制造 C 计算机辅助设计 D ．计算机辅助工艺规程设计 2．实验测试了自变量为3，4，5，6，7，8时的函数值，现要用抛物线插值法计算处的函数值，选择下列哪组自变量及其对应的函数值进行插值计算较为合理（ C ） A ．3，4，5 B ．4，5，6 C ．5，6，7 D ．6，7，8 3．设备坐标系的维数一般为（ B ） A ．一维 B ．二维 C 三维 D ．四维 4．将平面图形沿X 方向平移10个单位，沿Y 方向平移15个单位，其坐标变换矩阵为（ A ） A ．??????? ???11510010001 B ．??????????--11510010001 C ．???? ? ?????101001500010D ．???? ??????10 10015000 1 5．在消阴处理中，进行极大／极小检验，如果两个物体的投影不满足极大／极小条件，则两个物体之间（ D ） A ．相互完全遮挡 B ．部分相互遮挡 C ．相互不遮挡 D ．遮挡关系不确定 6．若函数F(x)在Dl 上具有连续二阶导数(D 是Dl 内部的凸集)，则F(x)为D 上的凸函数的充分必要条件是F(x)的Hessian 矩阵（ C ） A ．半正定 B ．正定 C ．半负定 D ．负定 7．对约束优化问题，设计变量的选择（ C ） A ．可以在可行域中 B ．不允许在可行域中 C ．只允许在可行域中 D ．不一定在可行域中 8．要将一个有约束问题的求解转化为一系列无约束问题的求解，可以选择（ C ） A ．复合形法 B ．简约梯度法 C ．罚函数法 D ．共轭梯度法 9．在解决线性规划问题时，首选的优化方法为（ B ） A ．外点罚函数法 B ．单纯形法 C ．拟牛顿法 D ．变尺度法 10．当目标函势沩凸函数，约『束函彭嘣黜函数时，K —T 条件是约束优化问题取得极值的（ D ） A ．必要条件 B ．充分条件 C ．一般条件 D ．充分必要条件 11．有限元分析中，下列单元属于二维单元的是（ D ） A ．六面体单元 B ．四面体单元 C ．杆单元 D ．三角形单元 12．用有限元方法求解问题获得的解属于（ A ） A ．近似解 B ．精确解 C ．解析解 D ．半解析解 13．采用杆单元进行平面刚架有限元分析，杆单元的一端具有（ B ） A ．两个自由度 B ．三个自由度 C ．四个自由度 D ．六个自由度 14．某刚架单元两节点对应的总体编码为5和3，则局部座标系下的单元刚度系数k 在总体刚度矩阵中的位置为（ D ） A ．第5行第3列 B ．第14行第3列 C ．第5行第14列 D ．第14行第14列 1 5．在平面应变问题中，沿轴线方向（ C ） A ．应变、应力都为零 B ．应力为零，但应变不为零 C ．应变为零，但应力不为零 D ．应变、应力都不为零 16．若产品的平均寿命等于失效率的倒数则产品的寿命服从（ C ） A ．正态分布 B ．泊松分布 C ．指数分布 D ．二项分布 17．在平均安全系数不变的情况下，由于强度(或应力)的分散度增大会使零件的可靠度（ A ） A ．降低 B ．提高 C ．不变 D ．无法确定 18．当系统中任何—个零件发生故障都会导致整个系统失效，该系统是（ A ） A ．串联系统 B ．冗余系统 C ．表决系统 D ．非工作冗余系统 19．并联系统的可靠度比组成该系统的零件的可靠度（ B ） A ．底 B ．高 C ．相等 D ．不确定 20．产品工作到t 时刻后的单位时间内发生失效的概率称为（ D ） A ．平均寿命 B ．平均失效密度 C ．平均可靠度 D ．平均失效率 二、多项选择题(本大题共5小题。每小题2分．共10分) 21．下列设备属于CAD 的输入设备的，有（ BCE ） A ．显示器 B ．扫描仪 C ．键盘 D ．绘图仪 E ．光笔 22．通过矩形窗口与矩形视区的匹配，可以实现图形的（ ABD ） A ．放大 B ．缩小 C ．锗切 D ．摇视 E 平移 23．下列方法中属于利用目标函数的导数构造搜索方向的优化方法有（ BE ） A ．坐标轮换法 B ．梯度法 C ．单纯形 D ．Powell 法 E ．变尺度法 24．单元刚度矩阵具有（ ACE ） A ．奇异性 B ．正定性 C ．分块性 D ．稀疏性 E ．对称性

现代设计方法综述及在灌注桩抽芯钻机上的应用

现代设计方法综述及在灌注桩抽芯钻机上的应用 摘要：现代设计是传统设计活动的延伸和发展，是传统设计的深入、丰富和完善。随着计算机技术等现代高新技术的高速发展以及设计实践经验的逐步积累，设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃，这种有别于传统设计方法的新兴理论与方法称为现代设计。现代设计方法以计算机辅助设计技术为主体，以满足产品的质量、性能、时间、成本、价格等综合效益最优为目的，它不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的创新，既是新兴理论，亦是相关高新技术。本文亦对现代设计方法在灌注桩抽芯钻机设计上的应用，从而更好地理解其在现代设计上重要作用。 关键词：现代设计；现代设计方法；发展趋势；灌注桩抽芯钻机 1 现代设计的由来 设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程，是具有高级思维能力的人的本能。人类为了适应生存环境和发展自身，出现了各种精神上和物质上的需求，为了满足这些需求，人们需要通过创造性的思维产生构思，并采取一定的技术途径实现这些构思，改造世界，创造文明，创造物质财富和精神财富，这个过程就是设计。因此，可以说从人类诞生之日，就孕育了设计的萌芽，设计活动就是人类文明的创造活动，它不论是在精神财富还是在物质财富的创造中都起到了重要作用。人类最基础、最主要的创造活动是造物。设计便是造物活动进行预先的计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。 随着工业革命的到来，生产方式发生了巨大变化，促使人们加强了设计基础理论和各种专业产品设计的研究，以提高设计水平；同时还加强了零件的标准化、部件的通用化以及产品的系列化研究，以进一步提高设计的速度、质量，降低设计成本。在计算机出现以前，人们就已经把各种产品设计的经验总结成有关的设计理论、设计步骤和设计手册等，这种设计通常称之为传统设计。 随着科学技术的发展和人们需求的不断提高，促使设计的内涵和外延不断深化和扩展。从20世纪60年代末开始，设计领域相继出现了一系列新的设计思想、理论与方法，使设计变得更加科学、理性和高效，为了与之前相对经验的、感性的、以人工为主的传统设计相区别，人们称之为“现代设计”。 2 现代设计方法 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。本文以计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、工业艺术造型设计、设计方法学、三次设计等为例来说明现代设计方法的基本内容与特点。 2.1 计算机辅助设计 计算机辅助设计（Computer Aided Design)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。计

机械优化设计习题及答案

机械优化设计习题及参考答案 1-1.简述优化设计问题数学模型的表达形式。 答：优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学抽象。在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计问题就可以表示成一般数学形式。求设计变量向量[]12T n x x x x =L 使 ()min f x → 且满足约束条件 ()0 (1,2,)k h x k l ==L ()0 (1,2,)j g x j m ≤=L 2-1.何谓函数的梯度？梯度对优化设计有何意义？ 答：二元函数f(x 1,x 2)在x 0点处的方向导数的表达式可以改写成下面的形式：??? ?????????????=??+??= ??2cos 1cos 212cos 21cos 1θθθθxo x f x f xo x f xo x f xo d f ρ 令xo T x f x f x f x f x f ?? ????????=????=?21]21[)0(， 则称它为函数f （x 1，x 2）在x 0点处的梯度。 （1）梯度方向是函数值变化最快方向，梯度模是函数变化率的最大值。 （2）梯度与切线方向d 垂直，从而推得梯度方向为等值面的法线方向。梯度)0(x f ?方向为函数变化率最大方向，也就是最速上升方向。负梯度-)0(x f ?方向为函数变化率最小方向，即最速下降方向。 2-2.求二元函数f （x 1，x 2）=2x 12+x 22-2x 1+x 2在T x ]0,0[0=处函数变化率最 大的方向和数值。 解：由于函数变化率最大的方向就是梯度的方向，这里用单位向量p 表示，函数变化率最大和数值时梯度的模)0(x f ?。求f （x1，x2）在

现代优化设计方法的现状和发展趋势

M ac hi neBuil di ng Auto m atio n,D ec2007,36(6):5~6,9 现代优化设计方法的现状和发展趋势 王基维1,熊伟2,李会玲1,汪振华3 (1.宁波职业技术学院,浙江宁波315800;2.湖南生物机电职业技术学院,湖南长沙410126; 3.南京理工大学,江苏南京210094) 摘要:优化设计是近年来发展起来的一门新学科,为机械设计提供了一种重要的科学设计方 法。优化设计在解决复杂设计问题时,能从众多设计方案中寻到尽可能完美或最适宜的设计 方案。对现代优化设计方法进行了概括和总结,展望了现代优化设计的发展方向和发展趋势。 关键词:优化设计;机械设计;发展趋势 中图分类号:T H122文献标识码:B文章编号:167125276(2007)0620005202 Develop ing T rend on M odern O pt im a l Design M ethods WANG J i2wei1,XI ONG W ei2,LI H u i2li ng1,WANG Zhen2hua3 (1.Ni ngbo Voca ti on Te chno l ogy C o ll e ge,N i n gbo315800,C h i na; 2.Huna n B i o l ogy Me c ha ni c a la nd E l e c tri c a lP ro f e ss i ona lTe chno l ogy C o ll ege,C ha ngsha410126,C h i na; 3.Na n ji ng Un i ve rs ity o f S c i e nc e a nd Te chno l o gy,Na n ji ng210094,C h i n a) Abstr ac t:As a new d i s c i p l i ne,o p tm i a l de s i gn p rov i de s an m i p o rtan t sc i en tifi c de s i gn m e t h od f o r e ng i nee https://www.wendangku.net/doc/4d16064625.html, i ng op tm i a ld es i gn, t he y can fi nd o ut a nea rl y pe rf e ct o r op tm i um des i gn s ch em e fr om l o ts o f feas i b l e ap p r o ache s.T he p ape r s um m a ri ze s t he de ve l o p i ng trend a nd d ir e cti o n o f t he m ode rn op tm i a l des i gn m e t hod s. K ey word s:op tm i a ld es i g n;m a ch i n e des i gn;de ve l o p t re nd 0引言 机械设计与制造是机械工程领域中最重要的内容,而机械设计又是机械制造的前提。优化设计(opti m a l de2 si gn)是近年来发展起来的一门新的学科,优化设计为机械设计提供了一种重要的科学设计方法,在机械设计上起着重要的作用,使得在解决复杂设计问题时,能从众多的设计方案中寻到尽可能完美的或最适宜的设计方案[1]。实践证明,在机械设计中采用优化设计方法,不仅可以减轻机械设备质量,降低材料消耗与制造成本,而且可以提高产品的品质和工作性能[2]。文中初步论述了机械优化设计方法的发展现状和趋势。 优化设计方法[3]是数学规划和计算机技术相结合的产物,它是一种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参数指标的函数(称为目标函数),然后在产品规定的性态、几何和运动等其它条件的限制(称为约束条件)的范围内,寻找满足一个目标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。优化设计方法已成为解决复杂设计问题的一种有效工具。 1优化设计方法及应用现状 优化设计的基础和核心是优化理论和算法。迄今为止,己有上百种优化方法提出,这里重点介绍以下几种优化方法[4,5]。 a)线性逼近法:线性逼近法SLP是将原非线性问题转化为一系列线性优化问题,通过求解线性优化问题得到原问题的近似解。根据形成线性优化的方法不同,可以得到不同的线性逼近法。常用的线性逼近法有近似规划法和割平面法; b)遗传算法[2,6,14]:遗传算法GA(genetic a l gorith m s)是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索算法。它是1962年首先由美国密执安大学的J.H.H olland教授提出、随后主要由他和他的一批学生发展起来的[7],并在1975年的专著中作了介绍,首先提出了以二进制串为基础的基因模式理论,用二进制位串来模拟生物群体的进化过程。进化结束时的二进制所对应的设计变量的值即为优化问题的解。GA方法的主要优点是具有很强的通用优化能力,它不需要导数信息,也不需要设计空间或函数的连续性条件,其优化搜索具有隐性并行性,可以多点同时在大空间中作快速搜索,因此有可能获得全局最优解。由于G A有着其他优化算法不可比拟的优点,因此,GA的应用非常广泛,取得大量研究应用成果。在结构优化设计方面的如离散结构的遗传形状优化设计[8]、悬臂扭转结构和梁结构的优化设计[9]、桁架和薄壁的结构优化问题[10]等。在文献[11]中对平面四杆机构的遗传优化设计进行了研究。文献[12]介绍了一个用于ZL40装载机的直齿圆锥齿轮差速器的优化设计问题,用GA中的实数编码进行优化求解,取群体大小为50,交叉率为0.2,变异率为0.5,经过120代的进化并经圆整后得到最优解。文献[15]中通过把机械方案设计过程看作是一个状态空间的求解问题,用遗传算法控制其搜索过程,完善了新的遗传编码体系,为了适应新的编码体系重新构建了交叉和变异等遗传操作,并利用复制、交换和变异等操作进行一次次迭代,最终自动生成一组最优的设计方案。 此外,G A还应用在函数优化、机械工程、结构优化、电工、神经网络、机器学习、自适应控制、故障诊断、系统工程调度和运输问题等诸多领域中[13]; #5 #